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曲柄连杆机构

2010-12-24 11:31:43    

 

一、曲柄连杆机构的功用及组成

曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。其功用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩,以驱动汽车车轮转动。曲柄连杆机构由活塞组、连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。

 

二、活塞组

(一)活塞
  1.活塞的功用及工作条件 活塞的主要功用是承受燃烧气体压力,并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。 活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触,使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动,由于润滑条件差,因此摩擦损失大,磨损严重。
        


  2.活塞材料 现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞,只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。


  3.活塞构造 活塞可视为由顶部、头部和裙部等3部分构成。 1)活塞顶部。汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关。大多数汽油机采用平顶活塞,其优点是受热面积小,加工简单。采用凹顶活塞,可以通过改变活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比。  柴油机活塞顶部形状取决于混合气形成方式和燃烧室形状。在分隔式燃烧室柴油机的活塞顶部设有形状不同的浅凹坑,以便在主燃烧室内形成二次涡流,增进混合气形成与燃烧。 柴油机还有另一类燃烧室,称为直喷式燃烧室。其全部容积都集中在气缸内,且在活塞顶部设有深浅不一、形状各异的燃烧室凹坑。在直喷式燃烧室的柴油机中,喷油器将燃油直接喷入燃烧室凹坑内,使其与运动气流相混合,形成可燃混合气并燃烧。
      


  2)活塞头部。由活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽底部还加工有回油孔或横向切槽,油环从气缸壁上刮下来的多余机油,经回油孔或横向切槽流回油底壳。 活塞头部应该足够厚,从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑,过渡圆角 R 应足够大,以减小热流阻力,便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁,使活塞顶部的温度不致过高。 在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽的作用是隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流,使部分热量由第二、三道活塞环传出,从而可以减轻第一道活塞环的热负荷,改善其工作条件,防止活塞环粘结。 
        

 

活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要因素。在强化程度较高的发动机中,第一道环槽温度较高,磨损严重。为了增强环槽的耐磨性,通常在第一环槽或第一、二环槽处镶嵌耐热护圈。在高强化直喷式燃烧室柴油机中,在第一环槽和燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈,以保护喉口不致因为过热而开裂。
          


  3)活塞裙部。 活塞头部以下的部分为活塞裙部。裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向,气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的、适宜的间隙。间隙过大,活塞敲缸;间隙过小,活塞可能被气缸卡住。此外,裙部应有足够的实际承压面积,以承受侧向力。活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称主推力面,承受压缩侧向力的一面称次推力面。 
            

 

发动机工作时,活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形,而活塞受热膨胀时还发生热变形。这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大。因此,为使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应,在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形,并使其长轴与活塞销孔轴线垂直。现代汽车发动机的活塞均为椭圆裙。 
                


在活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称恒范活塞。由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢片与活塞裙相连且恒范钢的热膨胀系数只有铝合金的1/10左右,因此当温度升高时,在恒范钢片的牵制下,裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。若将普通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形成双金属壁,则由于两种金属的热膨胀系数不同,当温度升高时双金属壁发生弯曲,而钢片两端的距离基本不变,从而限制了裙部的热膨胀量。因为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大,所以称这种活塞为自动热补偿活塞。
              


在现代汽车发动机上广泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞。在保证裙部有足够承压面积的条件下,将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉,即为半拖鞋式裙部;若全部去掉则为拖鞋式裙部。优点是: ①质量轻,比全裙式活塞轻10%~10%,适应高速发动机减小往复惯性力的需要。 ②裙部弹性好,可以减小活塞与气缸的配合间隙。 ③能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。 
                


    活塞销孔轴线通常与活塞轴线垂直相交。这时,当压缩行程结束、作功行程开始,活塞越过上止点时,侧向力方向改变,活塞由次推力面贴紧气缸壁突然转变为主推力面贴紧气缸壁,活塞与气缸发生“拍击”,产生噪声,且有损活塞的耐久性。在许多高速发动机中,活塞销孔轴线朝主推力面一侧偏离活塞轴线1~2mm。压缩压力将使活塞在接近上止点时发生倾斜,活塞在越过上止点时,将逐渐地由次推力面转变为由主推力面贴紧气缸壁,从而消减了活塞对气缸的拍击。
       


  4.活塞的冷却 高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑的柴油机,为了减轻活塞顶部和头部的热负荷而采用油冷活赛。用机油冷却活塞的方法有:

1)自由喷射冷却法。 从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油。

2)振荡冷却法。 从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中,由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。
  3)强制冷却法。 在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管,使机油在其中强制流动以冷却活塞。强制冷却法广为增压发动机所采用。
            

 
  5.活塞的表面处理 根据不同的目的和要求,进行不同的活塞表面处理,其方法有:1)活塞顶进行硬模阳极氧化处理,形成高硬度的耐热层,增大热阻,减少活塞顶部的吸热量。2)活塞裙部镀锡或镀锌,可以避免在润滑不良的情况下运转时出现拉缸现象,也可以起到加速活塞与气缸的磨合作用。3)在活塞裙部涂覆石墨,石墨涂层可以加速磨合过程,可使裙部磨损均匀,在润滑不良的情况下可以避免拉缸。

 

(二)活塞环
  1.活塞环的功用及工作条件 活塞环分气环和油环两种。  气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与气缸壁间的密封,防止气缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱,并将活塞顶部接受的热传给气缸壁,避免活塞过热。油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油,并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用,并在润滑不良的条件下在气缸内高速滑动。由于气缸壁面的形状误差,使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。这不仅加重了环与环槽的磨损,还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。


  2.活塞环材料及表面处理 根据活塞环的功用及工作条件,制造活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用的活塞环材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理。多孔性铬层硬度高,并能储存少量机油,可以改善润滑减轻磨损。钼的熔点高,也具有多孔性,因此喷钼同样可以提高活塞环的耐磨性。


  3.气环

1)气环的密封原理:活塞环在自由状态下不是正圆形,其外廓尺寸比气缸直径大。当活塞环装入气缸后,在其自身的弹力作用下环的外圆面与气缸壁贴紧形成第一密封面,气缸内的高压气体不可能通过第一密封面泄漏。高压气体可能通过活塞顶岸与气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧隙和径向间隙中。进入侧隙中的高压气体使环的下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面,高压气体也不可能通过第二密封面泄漏。进入径向间隙中的高压气体只能环的外圆面与气缸壁更加贴紧。这时漏气的惟一通道就是活塞环的开口端隙。如果几道活塞环的开口相互错开,那么就形成了迷宫式漏气通道。由于侧隙、径向间隙和端隙都很小,气体在通道内的流动阻力很大,致使气体压力p迅速下降,最后漏入曲轴箱内的气体就很少了,一般仅为进气量的0.2%~1.0%。 

 

2)气环开口形状: 开口形状对漏气量有一定影响。直开口工艺性好,但密封性差;阶梯形开口密封性好,工艺性差;斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间,斜角一般为30°或45°。  
                


    3)气环的断面形状:气环的断面形状多种多样,根据发动机的结构特点和强化程度,选择不同断面形状的气环组合,可以得到最好的密封效果和使用性能。常见的气环断面形状如上右图 矩形环断面为矩形。形状简单,加工方便,与气缸壁接触面积大,有利于活塞散热。但磨合性差,而且在与活塞一起作往复运动时,在环槽内上下窜动,把气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中,产生“泵油作用”,使机油消耗量增加,活塞顶及燃烧室壁面积炭。
                


    锥面环,环的外圆面为锥角很小的锥面。理论上锥面环与气缸壁为线接触,磨合性好,增大了接触压力和对气缸壁形状的适应能力。当活塞下行时,锥面环能起到向下刮油的作用。当活塞上行时,由于锥面的油楔作用,锥面环能滑越过气缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。锥面环传热性差,所以不用作第一道气环。由于锥角很小,一般不易识别,为避免装错,在环的上侧面标有向上的记号。 
               


    扭曲环断面不对称的气环装入气缸后,由于弹性内力的作用使断面发生扭转,故称扭曲环。扭曲环断面扭转原理。活塞环装入气缸之后,其断面中性层以外产生拉应力,断面中性层以内产生压应力。拉应力的合力F1指向活塞环中心,压应力合力F2的方向背离活塞环中心。由于扭曲环中性层内外断面不对称,使 F1 与 F2 不作用在同一平面内而形成力矩M。在力矩M的作用下,使环的断面发生扭转。 
    

 

若将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切掉一部分,整个气环将扭曲成碟子形,则称这种环为正扭曲环;若将内圆面的下边缘切掉一部分,气环将扭曲成盖子形,则称其为反扭曲环。在环面上切去部分金属称为切台。当发动机工作时,在进气、压缩和排气行程中,扭曲环发生扭曲,其工作特点一方面与锥面环类似,另一方面由于扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触,从而防止了环在环槽内上下窜动,消除了泵油现象,减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。在作功行程中,巨大的燃气压力作用于环的上侧面和内圆面,足以克服环的弹性内力使环不再扭曲,整个外圆面与气缸壁接触,这时扭曲环的工作特点与矩形环相同。(如上右图) 梯形环,断面为梯形。其主要优点是抗粘结性好。当活塞头部温度很高时,窜入第一道环槽中的机油容易结焦并将气环粘住。在侧向力换向活塞左右摆动时,梯形环的侧隙、径向间隙都发生变化将环槽中的胶质挤出。楔形环的工作特点与梯形环相似,且由于断面不对称,装入气缸后也会发生扭曲。梯形环多用作柴油机的第一道气环。 桶面环,环的外圆面为外凸圆弧形。其密封性、磨合性及对气缸壁表面形状的适应性都比较好。桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜,将环浮起,从而减轻环与气缸壁的磨损。 开槽环,在外圆面上加工出环形槽,在槽内填充能吸附机油的多孔性氧化铁,有利于润滑、磨合和密封。 

      


    顶岸环,断面为“L”形。因为顶岸环距活塞顶面近,作功行程时,燃气压力能迅速作用于环的上侧面和内圆面,使环的下侧面与环槽的下侧面、外圆面与气缸壁面贴紧,有利于密封;由于同样的原因,顶岸环可以减少汽车尾气HC的排放量。 
          


    顶岸环,断面为“L”形。因为顶岸环距活塞顶面近,作功行程时,燃气压力能迅速作用于环的上侧面和内圆面,使环的下侧面与环槽的下侧面、外圆面与气缸壁面贴紧,有利于密封;由于同样的原因,顶岸环可以减少汽车尾气HC的排放量。 
         


    3)槽孔撑簧式油环。 在槽孔式油环的内圆面加装撑簧即为槽孔撑簧式油环。一般作为油环撑簧的有螺旋弹簧、板形弹簧和轨形弹簧三种。这种油环由于增大了环与气缸壁的接触压力,而使环的刮油能力和耐久性有所提高。  4)钢带组合油环。 其结构形式很多, 钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成。撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧,而且还使刮片与环槽侧面贴紧。这种组合油环的优点是接触压力大,既可增强刮油能力,又能防止上窜机油。另外,上下刮片能单独动作,因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力强。但钢带组合油环需用优质钢制造,成本高。

 

(三)活塞销

1.活塞销的功用及工作条件 活塞销用来连接活塞和连杆,并将活塞承受的力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷,且由于活塞销在销孔内摆动角度不大,难以形成润滑油膜,因此润滑条件较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐磨性,质量尽可能小,销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。在一般情况下,活塞销的刚度尤为重要,如果活塞销发生弯曲变形,可能使活塞销座损坏。


  2.活塞销材料及结构 活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢,如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬,再经精磨和抛光等精加工。这样既提高了表面硬度和耐磨性,又保证有较高的强度和冲击韧性。 活塞销的结构形状很简单,基本上是一个厚壁空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和组合形。圆柱形孔加工容易,但活塞销的质量较大;两段截锥形孔的活塞销质量较小,且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大,所以接近于等强度梁,但锥孔加工较难。
                

三、连杆组 连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。习惯上常常把连杆体、连杆盖和连杆螺栓合起来称作连杆,有时也称连杆体为连杆。


  1.连杆组的功用及工作条件 连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴,并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆小头与活塞销连接,同活塞一起作往复运动;连杆大头与曲柄销连接,同曲轴一起作旋转运动,因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动。连杆组主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大压缩载荷出现在作功行程上止点附近,最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下,连杆体可能发生弯曲变形。


  2.连杆组材料 连杆体和连杆盖由优质中碳钢或中碳合金钢,如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成。连杆螺栓通常用优质合金钢40Cr或35CrMo制造。一般均经喷丸处理以提高连杆组零件的强度。纤维增强铝合金连杆以其质量轻、综合性能好而备受注目。在相同强度和刚度的情况下,纤维增强铝合金连杆比用传统材料制造的连杆要轻30%。


  3.连杆构造 连杆由小头、杆身和大头构成。 

      

 

  1) 连杆小头 小头的结构形状取决于活塞销的尺寸及其与连杆小头的连接方式。 
        


  在汽车发动机中连杆小头与活塞销的连接方式有两种,即全浮式和半浮式。全浮式活塞销工作时,在连杆小头孔和活塞销孔中转动,可以保证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮伤气缸壁 ,在活塞销孔外侧装置活塞销挡圈。半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内,这时活塞销只在活塞销孔内转动,在小头孔内不转动。小头孔不装衬套,销孔中也不装活塞销挡圈。


  2) 连杆杆身 杆身断面为工字形,刚度大、质量轻、适于模锻。工字形断面的Y-Y轴在连杆运动平面内。有的连杆在杆身内加工有油道,用来润滑小头衬套或冷却活塞。如果是后者,须在小头顶部加工出喷油孔。 
               


  3) 连杆大头 连杆大头除应具有足够的刚度外,还应外形尺寸小,质量轻,拆卸发动机时能从气缸上端取出。连杆大头是剖分的,连杆盖用螺栓或螺柱紧固,为使结合面在任何转速下都能紧密结合,连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大。  结合面与连杆轴线垂直的为平切口连杆,而结合面与连杆轴线成30°~60°夹角的为斜切口连杆。平切口连杆体大端的刚度较大,因此大头孔受力变形较小,而且平切口连杆制造费用较低。汽油机均采用平切口连杆。柴油机连杆既有平切口的也有斜切口的。一般柴油机由于曲柄销直径较大,因此连杆大头的外形尺寸相应较大,欲在拆卸时能从气缸上端取出连杆体,必须采用斜切口连杆。连杆盖装合到连杆体上时须严格定位,以防止连杆盖横向位移。平切口连杆利用连杆螺栓上一段精密加工的圆柱面与精密加工的螺栓孔来实现连杆盖的定位。斜切口连杆的连杆螺栓由于承受较大的剪切力而容易发生疲劳破坏。为此,应该采用能够承受横向力的定位方法。
          


  4) 连杆螺栓 工作时连杆螺栓承受交变载荷,因此在结构上应尽量增大连杆螺栓的弹性,而在加工方面要精细加工过渡圆角,消除应力集中,以提高其抗疲劳强度。连杆螺栓用优质合金钢制造,如40Cr、35CrMo等。经调质后滚压螺纹,表面进行防锈处理。

                 


  4.V型发动机连杆 V型发动机左右两个气缸的连杆安装在同一个曲柄销上,其结构随安装形式的不同而不同。 1)并列连杆 两个完全相同的连杆一前一后并列地安装在同一个曲柄销上。连杆结构与上述直列式发动机的连杆基本相同,只是大头宽度稍小一些。并列连杆的优点是前后连杆可以通用,左右两列气缸的活塞运动规律相同。缺点是两列气缸沿曲轴纵向须相互错开一段距离,从而增加了曲轴和发动机的长度。 2)主副连杆 一个主连杆一个副连杆组成主副连杆,副连杆通过销轴铰接在主连杆体或主连杆盖上。一列气缸装主连杆,另一列气缸装副连杆,主连杆大头安装在曲轴的曲柄销上。主副连杆不能互换,且副连杆对主连杆作用以附加弯矩。两列气缸中活塞的运动规律和上止点位置均不相同。采用主副连杆的V型发动机,其两列气缸不需要相互错开,因而也就不会增加发动机的长度。 3)叉形连杆 指一列气缸中的连杆大头为叉形;另一列气缸中的连杆与普通连杆类似,只是大头的宽度较小,一般称其为内连杆。叉形连杆的优点是两列气缸中活塞的运动规律相同,两列气缸无需错开。缺点是叉形连杆大头结构复杂,制造比较困难,维修也不方便,且大头刚度较差。
          

 

四、曲轴飞轮组

(一)曲轴
  1.曲轴的功用及工作条件 曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩,用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作,承受弯曲和扭转交变载荷。因此,曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度;轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性;曲轴的质量应尽量小;对各轴颈的润滑应该充分。


  2.曲轴材料 曲轴一般由45、40Cr、35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成,轴颈表面经高频淬火或氮化处理,最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。球墨铸铁价格便宜,耐磨性能好,轴颈不需硬化处理,同时金属消耗量少,机械加工量也少。为提高曲轴的疲劳强度,消除应力集中,轴颈表面应进行喷丸处理,圆角处要经滚压处理。


  3.曲轴构造 曲轴基本上由若干个单元曲拐构成。一个曲柄销,左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐,多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同,V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。将若干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前、后端便构成一根曲轴。多数发动机的曲轴,在其曲柄臂上装有平衡重。按单元曲拐连接方法的不同,曲轴分为整体式和组合式两类。


  4.曲拐布置与多缸发动机的工作顺序 各曲拐的相对位置或曲拐布置取决于气缸数、气缸排列形式和发动机工作顺序。当气缸数和气缸排列形式确定之后,曲拐布置就只取决于发动机工作顺序。在选择发动机工作顺序时,应注意以下几点: 1)应该使接连作功的两个气缸相距尽可能的远,以减轻主轴承载荷和避免在进气行程中发生抢气现象。 2)各气缸发火的间隔时间应该相同。发火间隔时间若以曲轴转角计则称发火间隔角。在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内,每个气缸都应发火作功一次。对于气缸数为 i 的四冲程发动机,其发火间隔角应为720°/i,即曲轴每转720°/i 时,就有一缸发火作功,以保证发动机运转平稳。 3)V型发动机左右两列气缸应交替发火。 四冲程直列四缸发动机的发火间隔角为720°/4=180°。4个曲拐在同一平面内。发动机工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3,其工作循环见表2-1和表2-2。  四冲程直列四缸发动机工作循环表 
           


      四行程直列六缸发动机的发火顺序和曲拐布置:四行程直列六缸发动机发火间隔角为720°/6=120°,六个曲拐分别布置在三个平面内,发火顺序是1-5-3-6-2-4,其工作循环表见表2-3。 
           


      四冲程V型六缸发动机的发火间隔角仍为120°,3个曲拐互成120°。工作顺序R1-L3-R3-L2-R3-L1。面对发动机的冷却风扇,右列气缸用R表示,由前向后气缸号分别为R1、R2、R3;左列气缸用L表示,气缸号分别为L1、L2和L3,工作循环见表2-4。            

 


  四冲程V8发动机的发火间隔角为720°/8=90°, 4个曲拐互成90°。工作顺序基本上有两种:R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1 

         


  (二)曲轴前、后端密封 曲轴前端借助甩油盘和橡胶油封实现密封。发动机工作时,落在甩油盘上的机油,在离心力的作用下被甩到定时传动室盖的内壁上,再沿壁面流回油底壳。即使有少量机油落到甩油盘前面的曲轴上,也会被装在定时传动室盖上的自紧式橡胶油封挡住。  曲轴后端的密封装置。由于近年来橡胶油封的耐油、耐热和耐老化性能的提高,在现代汽车发动机上曲轴后端的密封越来越多地采用与曲轴前端一样的自紧式橡胶油封。自紧式油封由金属保持架、氟橡胶密封环和拉紧弹簧构成。 

 

(三)曲轴扭转减振器 当发动机工作时,曲轴在周期性变化的转矩作用下,各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动,简称扭振。当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时,就会发生共振。共振时扭转振幅增大,并导致传动机构磨损加剧,发动机功率下降,甚至使曲轴断裂。为了消减曲轴的扭转振动,现代汽车发动机多在扭转振幅最大的曲轴前端装置扭转减振器。汽车发动机多采用橡胶扭转减振器、硅油扭转减振器和硅油橡胶扭转减振器等。


  1.橡胶扭转减振器 减振器壳体与曲轴连接,减振器壳体与扭转振动惯性质量粘结在硫化橡胶层上。发动机工作时,减振器壳体与曲轴一起振动,由于惯性质量滞后于减振器壳体,因而在两者之间产生相对运动,使橡胶层来回揉搓,振动能量被橡胶的内摩擦阻尼吸收,从而使曲轴的扭振得以消减。橡胶扭转减振器结构简单,工作可靠,制造容易,在汽车上广为应用。但其阻尼作用小,橡胶容易老化,故在大功率发动机上较少应用。


  2.硅油扭转减振器 由钢板冲压而成的减振器壳体与曲轴连接。侧盖与减振器壳体组成封闭腔,其中滑套着扭转振动惯性质量。惯性质量与封闭腔之间留有一定的间隙,里面充满高粘度硅油。当发动机工作时,减振器壳体与曲轴一起旋转、一起振动,惯性质量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所带动。由于惯性质量相当大,因此它近似作匀速转动,于是在惯性质量与减振器壳体间产生相对运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸收,使扭振消除或减轻。硅油扭转减振器减振效果好,性能稳定,工作可靠,结构简单,维修方便,所以在汽车发动机上的应用日益普遍。但它需要良好的密封和较大的惯性质量,致使减振器尺寸较大。


  3.硅油—橡胶扭转减振器 硅油—橡胶扭转减振器中的橡胶环6主要作为弹性体,并用来密封硅油和支撑惯性质量1。在封闭腔内注满高粘度硅油。硅油—橡胶扭转减振器集中了硅油扭转减振器和橡胶扭转减振器二者的优点,即体积小、质量轻和减振性能稳定等。


  四、飞轮
    对于四冲程发动机来说,每四个活塞行程作功一次,即只有作功行程作功,而排气、进气和压缩三个行程都要消耗功。因此,曲轴对外输出的转矩呈周期性变化,曲轴转速也不稳定。为了改善这种状况,在曲轴后端装置飞轮。 飞轮是转动惯量很大的盘形零件,其作用如同一个能量存储器。在作功行程中发动机传输给曲轴的能量,除对外输出外,还有部分能量被飞轮吸收,从而使曲轴的转速不会升高很多。在排气、进气和压缩三个行程中,飞轮将其储存的能量放出来补偿这三个行程所消耗的功,从而使曲轴转速不致降低太甚。 除此之外,飞轮还有下列功用:飞轮是摩擦式离合器的主动件;在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈2;在飞轮上还刻有上止点记号,用来校准点火定时或喷油定时以及调整气门间隙。


  五、 汽车发动机滑动轴承 汽车发动机滑动轴承有连杆衬套、连杆轴承、主轴承和曲轴止推轴承等。
  1.连杆轴承和主轴承 连杆轴承和主轴承均承受交变载荷和高速摩擦,因此轴承材料必须具有足够的抗疲劳强度,而且要摩擦小、耐磨损和耐腐蚀。 连杆轴承和主轴承均由上、下两片轴瓦对合而成。每一片轴瓦都是由钢背和减摩合金层或钢背、减摩合金层和软镀层构成,前者称为二层结构轴瓦,后者称三层结构轴瓦。

 

钢背是轴瓦的基体,由1~3mm厚的低碳钢板制造,以保证有较高的机械强度。在钢背上浇铸减摩合金层,减摩合金材料主要有白合金、铜基合金和铝基合金。白合金也叫巴氏合金,应用较多的锡基白合金减摩性好,但疲劳强度低,耐热性差,温度超过100℃硬度和强度均明显下降,因此常用于负荷不大的汽油机。铜铅合金的突出优点是承载能力大,抗疲劳强度高,耐热性好。但磨合性能和耐腐蚀性差。为了改善其磨合性和耐腐蚀性,通常在铜铅合金表面电镀一层软金属而成三层结构轴瓦,多用于高强化的柴油机。铝基合金包括铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金。含锡20%以上的高锡铝合金轴瓦因为有较好的承载能力、抗疲劳强度和减摩性能而被广泛地用于汽油机和柴油机。软镀层是指在减摩合金层上电镀一层锡或锡铅合金,其主要作用是改善轴瓦的磨合性能并作为减摩合金层的保护层。  轴瓦在自由状态时,两个结合面外端的距离比轴承孔的直径大,其差值称为轴瓦的张开量。在装配时,轴瓦的圆周过盈变成径向过盈,对轴承孔产生径向压力,使轴瓦紧密贴合在轴承孔内,以保证其良好的承载和导热能力,提高轴瓦工作的可靠性和延长其使用寿命。


  2.曲轴止推轴承 汽车行驶时由于踩踏离合器而对曲轴施加轴向推力,使曲轴发生轴向窜动。过大的轴向窜动将影响活塞连杆组的正常工作和破坏正确的配气定时和柴油机的喷油定时。为了保证曲轴轴向的正确定位,需装设止推轴承,而且只能在一处设置止推轴承,以保证曲轴受热膨胀时能自由伸长。曲轴止推轴承有翻边轴瓦、半圆环止推片和止推轴承环3种形式。翻边轴瓦(是将轴瓦两侧翻边作为止推面,在止推面上浇铸减摩合金。

 

 

轴瓦的止推面与曲轴止推面之间留有0.06~0.25mm的间隙,从而限制了曲轴轴向窜动量。  半圆环止推片一般为四片,上、下各两片,分别安装在机体和主轴承盖上的浅槽中,用定位舌或定位销定位,防止其转动。装配时,需将有减摩合金层的止推面朝向曲轴的止推面,不能装反。止推轴承环为两片止推圆环,分别安装在第一主轴承盖的两侧。 

 

 

现代轿车特别重视乘坐的舒适性和噪声水平,为此必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平衡力及不平衡力矩减小到最低限度。在曲轴的曲柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其力矩,而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专门的平衡机构。 当发动机的结构和转速一定时,一阶往复惯性力与曲轴转角的余弦成正比,二阶往复惯性力与二倍曲轴转角的余弦成正比。发动机往复惯性力的平衡状况与气缸数、气缸排列形式及曲拐布置形式等因素有关。 现代中级和普及型轿车普遍采用四冲程直列四缸发动机。平面曲轴的四缸发动机的一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩都平衡,惟二阶往复惯性力不平衡。为了平衡二阶往复惯性力需采用双轴平衡机构。两根平衡轴与曲轴平行且与气缸中心线等距,旋转方向相反,转速相同,都为曲轴转速的二倍。两根轴上都装有质量相同的平衡重,其旋转惯性力在垂直于气缸中心线方向的分力互相抵消,在平行于气缸中心线方向的分力则合成为沿气缸中心线方向作用的力,与 FjII 大小相等,方向相反,从而使 FjII 得到平衡。
            

 

 

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